JPH0526645A - 原子間力顕微鏡およびその制御方法 - Google Patents

原子間力顕微鏡およびその制御方法

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JPH0526645A
JPH0526645A JP3180864A JP18086491A JPH0526645A JP H0526645 A JPH0526645 A JP H0526645A JP 3180864 A JP3180864 A JP 3180864A JP 18086491 A JP18086491 A JP 18086491A JP H0526645 A JPH0526645 A JP H0526645A
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JP
Japan
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cantilever
force microscope
twist
set value
atomic force
Prior art date
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Pending
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JP3180864A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Kado
博行 加道
Takao Toda
隆夫 任田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 原子間力顕微鏡に関し、特に、溝形状等の垂
直に近い壁面を有する試料を安定に精度良く測定できる
ようにする。 【構成】 レーザー7と4分割フォトダイオード9で構
成した光てこによりカンチレバー6のねじれとたわみを
検出し、フィードバック信号発生回路10、11によ
り、各々が一定値になるように制御しながら走査を行
い、各制御電圧の合計をコンピュータ13により画像化
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、深い溝形状等を安定に
精度良く測定する原子間力顕微鏡に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、固体表面を原子オーダで観察でき
る装置として原子間力顕微鏡(以後AFMと呼ぶ)が開
発されている。AFMでは微小な力を検出するために、
探針を有する長さ100μm程度のカンチレバーが必要
である。AFMの制御方法を図5に示す。探針12を試
料4に近づけると、探針と試料との間に働く原子間力に
よりカンチレバー6にたわみが生じる。このたわみ量を
一定に保つようにフィードバック信号発生回路10を通
してZ方向圧電体3を制御しながら、試料表面を走査す
る。この走査は、圧電体駆動装置5とX,Y方向の圧電
体1、2により行われる。上記フィードバックにおける
制御量が試料表面の凹凸に相当し、したがって、この制
御量をコンピュータ13等により画像化することでAF
M像が得られる。
【0003】このカンチレバーのたわみ量は変位測定部
16により測定される。この変位測定部には、現在、光
てこ、レーザー干渉計、トンネル電流などが用いられて
いる。AFMの分解能は探針の先端曲率半径に依存し、
曲率半径が小さいほど分解能は上がる。現在のところ2
00から300Åの曲率の探針が作製され、このカンチ
レバーを用いてマイカ等の原子像が観察されている。一
方、AFMを用いてグレーティング等の深い溝形状を有
する試料の測定も行われている。このような測定には、
探針の先端曲率が小さいのと同時に、溝部の底まで届く
ような、細長い形状の探針が用いられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記のような
探針を用いて測定を行う場合、溝部の壁面が垂直に近い
ような形状の試料では、探針の側面が走査中に溝部の壁
面に衝突する。この状態ではカンチレバーのたわみはほ
とんど生じることがなく、試料と探針間の距離はそのま
まの状態で走査が続けられる。その結果、正確なAFM
像が得られないばかりでなく、探針やカンチレバーが破
壊されることもある。
【0005】本発明は、このような従来の原子間力顕微
鏡の制御方法の課題を考慮し、垂直に近い側面形状を有
するような試料でも、精度良く観察することが可能な原
子間力顕微鏡およびその制御方法を提供することを目的
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】カンチレバーのねじれと
たわみを検出する。検出されたねじれが設定値以上にな
ると同時にカンチレバーから試料を遠ざけるように制御
する。カンチレバーのねじれは、レーザーと2分割光検
出器あるいは4分割光検出器を用いた光てこにより測定
する。
【0007】
【作用】細長い形状の探針を用いて、溝部等の壁面が垂
直に近いような形状の試料を観察すると、探針の側面が
走査中に壁面に衝突し、カンチレバーのねじれが設定値
以上になる。ここで上記制御方法によれば、、探針やカ
ンチレバーが試料の壁面により破壊されることなく走査
することが可能となる。また、このねじれは探針が壁面
上部に達するまで検出されるため、この制御量をたわみ
から得られる制御量に付加し、画像化することにより、
精度良くAFM像が得られる。
【0008】また、設定値以上にねじれを検出したとき
は、ねじれが設定値に達するまで走査をその場所で停止
すれば、さらに安定した観察が可能になるとともに、高
速走査も可能となる。
【0009】
【実施例】以下、具体例について詳細に述べる。図1
は、本発明の原子間力顕微鏡およびその制御方法の第1
実施例を示す概略図である。試料は、X,Y,Zの3方
向の圧電体1、2、3で形成されたトライポッド型の微
動機構上に設置した。試料4の走査は、圧電体駆動装置
5により発生した電圧をX、Y方向の圧電体に印加する
ことにより行った。カンチレバー6のたわみとねじれ
は、出力5mWの半導体レーザー7から出射されたレー
ザー光をレンズ8によりカンチレバー上に集光し、その
反射光を4分割フォトダイオード9により検出する光て
こにより検出した。前記4分割フォトダイオードにおい
て、試料と反対側へのカンチレバーのたわみにより生じ
るレーザー光の変位方向の分割部をA,Cとし、他の部
分をB,Dとする。各分割部分A、B,C,Dの出力を
それぞれa、b、c、dとすると、たわみは(a+c)
−(b+d)で算出され、ねじれは(a+b)−(c+
d)の絶対値として算出される。算出されたたわみ、ね
じれの各々に対して設定値と比較し、制御信号を出すフ
ィードバック信号発生回路10、11を設け、発生した
制御電圧をZ方向の圧電体に印加する。カンチレバーの
たわみは試料表面の凹凸に応じて変化するため、制御電
圧を、算出されたたわみが設定値よりも大きくなるとき
は、試料がカンチレバーから離れる方向、即ち、圧電体
がZ方向へ縮むように印加し、逆に設定値よりも小さく
なるときは、試料がカンチレバーに近づく方向、即ち、
圧電体がZ方向へ延びるように印加した。またカンチレ
バーのねじれは、観察試料に垂直に近い形状部分が存在
するとき、カンチレバー先端部に設けた探針12が衝突
することにより生じるため、制御電圧を、算出されたね
じれが設定値よりも大きくなるときは、試料がカンチレ
バーから離れる方向に印加した。ただし上記制御時にお
いて、ねじれが設定値より大きくなったときには、たわ
みによる制御は働かせずに、設定値に達してから制御を
再開した。上記の制御方法によりたわみとねじれを一定
値になるように制御しながら走査を行った。試料表面の
AFM像は上記のたわみとねじれによる各々の制御電圧
の合計をコンピュータ13あるいはストレージオシロス
コープにより画像化することにより得られた。
【0010】なお、本実施例では、たわみとねじれの各
々に対してフィードバック信号発生器を設けZ方向圧電
体を制御したが、探針と試料壁面が衝突することにより
生じるねじれ(a+b)−(c+d)が正になる方向へ
走査しているときは、a−dの値が一定値になるように
制御すればたわみとねじれが一定値になる。この場合に
は、a−dの値が設定値より大きくなるときは、試料が
カンチレバーから離れる方向に制御電圧をZ方向圧電体
に印加し、小さくなるときは近づく方向に印加した。試
料表面のAFM像はこの制御電圧を画像化することによ
り得られた。同様に、衝突によるねじれ(a+b)−
(c+d)が負になる方向へ走査しているときは、b−
cの値が一定値になるように制御すればよい。
【0011】次に本発明の第2実施例における原子間力
顕微鏡のたわみおよびねじれの検出部分の概略図を図2
に示す。カンチレバー6の先端部に設けた探針12が試
料4より力を受け前記カンチレバーにたわみやねじれが
生じる。カンチレバーのねじれはレーザー7、集光レン
ズ8と2分割フォトダイオード14を用いた光てこによ
り、前記2分割フォトダイードの各出力の差の絶対値と
して算出される。また、たわみはカンチレバーの背面側
(試料と反対側)に1nm程度の距離を離して設置され
た導電性の探針15に1Vから5Vのバイアス電圧を印
加し、カンチレバーと前記探針15間に流れるトンネル
電流値として検出した。試料の走査およびねじれ、たわ
みによるZ方向圧電体へのフィードバック、さらに制御
電圧の画像化は実施例1と同様に行った。
【0012】さらに本発明の第3実施例の原子間力顕微
鏡およびその制御方法の概略図を図3に示す。カンチレ
バー6のたわみとねじれは、4分割フォトダイオード9
をもちいた光てこにより第1の実施例と同様の方法で算
出した。試料の走査は、圧電体駆動装置5により発生し
た電圧をX、Y方向の圧電体1、2に印加することによ
り行った。ただし、この走査はカンチレバーのねじれが
設定値以上になったときにはその場所で停止し、設定値
に達したとき再開する。すなわち、算出したねじれ(a
+b)−(c+d)の絶対値を圧電体駆動装置へフィー
ドバックし、ねじれが設定値内にあるときだけ走査を継
続した。上記制御を加えることにより、観察時の安定性
が向上し、10Hz以上の高速走査においてもカンチレ
バーが破壊されなかった。なお、たわみおよびねじれの
検出方法としては第1実施例の方法を用いたが、第2実
施例により算出してもよい。
【0013】さらに本発明の第4実施例の原子間力顕微
鏡およびその制御方法の概略図を図4に示す。試料の走
査およびカンチレバー6のたわみとねじれは、第1の実
施例と同様の方法で行った。また、Z方向への試料の制
御は、ねじれの変化のみにより行われ、ねじれが設定値
より大きくなったときは、ねじれが一定値になるように
試料4がカンチレバーから離れようにフィードバック信
号発生回路10によりZ方向圧電体3に電圧を印加し
た。試料表面のAFM像はたわみ量と上記ねじれによる
制御電圧の合計をコンピュータ13あるいはストレージ
オシロスコープにより画像化することにより得られた。
なお、たわみおよびねじれの検出方法としては第1実施
例の方法を用いたが、第2実施例により算出してもよ
い。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、グレーティング等の深
い溝形状や、垂直に近い壁面を有する試料を測定する
際、カンチレバーや探針を破壊することなく、精度よく
測定できる原子間力顕微鏡が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例における原子間力顕微鏡お
よびその制御方法を示す概略図である。
【図2】本発明の第2実施例における原子間力顕微鏡の
たわみおよびねじれの検出部分の概略を示す斜視図であ
る。
【図3】本発明の第3実施例における原子間力顕微鏡お
よびその制御方法を示す概略図である。
【図4】本発明の第4実施例における原子間力顕微鏡お
よびその制御方法を示す概略図である。
【図5】従来の原子間力顕微鏡およびその制御方法を示
す概略図である。
【符号の説明】
1 X方向圧電体 2 Y方向圧電体 3 Z方向圧電体 4 試料 5 圧電体駆動装置 6 カンチレバー 7 半導体レーザー 8 集光レンズ 9 4分割フォトダイオード 10、11 フィードバック信号発生回路 12、15 探針 13 コンピュータ 14 2分割フォトダイオード 16 変位測定部

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】カンチレバーのねじれとたわみを検出し、
    前記ねじれを一定の設定値に保ちながら走査することを
    特徴とする原子間力顕微鏡の制御方法。
  2. 【請求項2】検出されたカンチレバーのねじれが設定値
    以上になると同時にカンチレバーから試料を遠ざけるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の原子間力顕微鏡の制御
    方法。
  3. 【請求項3】カンチレバーのたわみを一定の設定値に保
    ちながら走査することを特徴とする請求項1または2に
    記載の原子間力顕微鏡の制御方法。
  4. 【請求項4】検出されたカンチレバーのたわみが設定値
    以上になると同時にカンチレバーから試料を遠ざけ、前
    記設定値以下になると同時にカンチレバーに試料を近づ
    けることを特徴とする請求項3に記載の原子間力顕微鏡
    の制御方法。
  5. 【請求項5】カンチレバーのねじれの設定値が0である
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の原子
    間力顕微鏡の制御方法。
  6. 【請求項6】カンチレバーのねじれが設定値以上になる
    と同時に走査を停止し、ねじれが設定値になると走査を
    開始することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記
    載の原子間力顕微鏡の制御方法。
  7. 【請求項7】カンチレバーのねじれを一定の設定値に保
    ちながら走査し、前記ねじれによる制御量とたわみ量の
    合計を画像化することで試料表面像を得ることを特徴と
    する原子間力顕微鏡。
  8. 【請求項8】カンチレバーのねじれとたわみを一定の設
    定値に保ちながら走査し、前記ねじれによる制御量とた
    わみによる制御量の合計を画像化することで試料表面像
    を得ることを特徴とする原子間力顕微鏡。
  9. 【請求項9】レーザーと2分割光検出器を具備した光て
    こによりカンチレバーのねじれを検出することを特徴と
    する請求項7または8に記載の原子間力顕微鏡。
  10. 【請求項10】レーザーと4分割光検出器を具備した光
    てこによりカンチレバーのねじれとたわみを検出するこ
    とを特徴とする請求項7または8に記載の原子間力顕微
    鏡。
  11. 【請求項11】探針をカンチレバーに接近させ前記探針
    と前記カンチレバー間のトンネル電流を検出することに
    よりカンチレバーのたわみを検出することを特徴とする
    請求項7〜9のいずれかに記載の原子間力顕微鏡。
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